УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1994 года по МПК G02B7/182 

Изобретение относится к оптическому приборостроению/ в частности к узлам крепления крупногабаритных оптических зеркал.

Известен узел крепления оптического элемента/ содержащий зеркало/ оправу с закрепленными на ней осевыми и радиальными фиксаторами/ которые через шарниры соединены с упругой цилиндрической оболочкой. Данный узел крепления создает такое распределение давления на оптический элемент/ которое уравновешивает вес зеркала или действие инерционных сил.

Однако при увеличении размеров и массы зеркала из-за точечного контакта увеличивается значение равнодействующей силы/ что создает большие напряжения в материале зеркала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является оправа для оптического элемента с центральным отверстием. Оправа оптического элемента с центральным отверстием содержит наружное кольцо и размещенную в нем на резьбе зажимную втулку. Наружное кольцо выполнено по крайней мере с тремя лепестками/ равномерно расположенными по окружности/ за счет которых осуществляется фиксация оптического элемента.

Основным недостатком данного устройства является неравномерность деформаций оптического элемента.

Цель изобретения - фиксация в осевом и радиальном направлениях оптического элемента/ уменьшение деформаций зеркала от воздействия инерционных сил и сил тяжести/ повышение удобства эксплуатации/ а также снижение передаваемых от корпуса температурных и других деформаций.

Для этого узел крепления оптического элемента выполнен в виде упругой сетчатой оболочки из волокнистого КМ на полимерном связующем/ контактирующей с оптическим элементом. Упругая сетчатая оболочка деформируется с помощью зажимного элемента в форме тела вращения.

Ожидаемый положительный эффект предлагаемого узла крепления оптического зеркала заключается в том/ что изобретение обеспечивает надежную фиксацию зеркала на всех этапах его эксплуатации при равномерном распределении нагрузок на оптический элемент.

На фиг.1 показана конструкция устройства фиксации оптического элемента в исходном состоянии; на фиг.2 - устройство в рабочем состоянии.

Устройство фиксации оптического элемента содержит упругую сетчатую оболочку 2/ контактирующую с оптическим элементом 1/ упорное кольцо 3/ вкладыш 4/ запрессованный в стакан 7/ шпильки 5 и фланец 6.

Устройство работает следующим образом.

Оптический элемент 1 по посадочному диаметру имеет обратную конусность А/ направление конусности должно быть таким/ как показано на фиг.1 и 2. Крепление оптического элемента производится путем деформирования сетчатой оболочки из КМ 2. Деформация сетчатой оболочки происходит за счет осевого перемещения фланца 6/ происходящего в результате заворачивания гаек по шпилькам 5. Между упорным кольцом 3 и оптическим элементом 1 организуется зазор/ который выбирается в процессе закрепления перемещением опорного кольца 3/ при этом оптический элемент находится в приспособлении. Радиальные нагрузки воспринимаются сетчатой оболочкой из КМ 2/ осевые - упорным кольцом 3/ а в противоположном направлении также сетчатой оболочкой. Осевое усилие сжатия/ передаваемое через шпильки 5/ создает необходимую деформацию упругой сетчатой оболочки 2/ что обеспечивает фиксацию и компенсацию деформаций в радиальном и осевом направлениях оптического элемента 1.

Для определения характеристик сетчатой оболочки производят ее расчет.

Рассмотрим безмоментную сетчатую оболочку. Пусть нить уложена под осесимметричным углом ±ϕ.

Приняты следующие допущения:
верны соотношения нелинейной механики деформирования волокнистых систем;
нить жесткая и способна работать на сжатие при сетевой модели КМ/ связующее эластичное и не препятствует деформациям.

Необходимо определить усилие сжатия N_y и толщину h сетчатой оболочки в исходном состоянии при заданной реакции со стороны объекта N_x.

В качестве исходных данных для назначения величины реакции со стороны объекта N_x необходимо рассмотреть случай/ когда зеркало массой m с учетом коэффициента перегрузок фиксируется за счет силы трения и реакции со стороны объекта. Релаксационные процессы в материале сетчатой оболочки учитываются с помощью коэффициента запаса/ увеличивающего значение N_x.

Используют соотношения нелинейной механики деформирования волокнистых систем
1)физические соотношения (для цилиндра)
N_y= h·σ₁·cos²ϕ^*
N_x= h·σ₁·sin²ϕ^* (1) где σ₁- напряжение в нитях;
N_y- усилие сжатия;
N_x- реакция со стороны объекта/
2) геометрические соотношения r^*= r·(1+ε_x) ds^*= ds·(1+ε_y); sinϕ^*= sinϕ(1+ε_x)/(1+ε₁); (2) cosϕ^*= cosϕ(1+ε_y)/(1+ε₁); 1 = (1+ε_x)²sin²ϕ+(1+ε_y)²cos²ϕ/ где r^*,r - радиус оболочки в деформированном и исходном состояниях;
ds^*, ds - приращения длины оболочки в деформированном и исходном состояниях;
ϕ^*,ϕ - угол между осью и нитью в деформированном и исходном состояниях;
ε_y,ε_x-деформации оболочек вдоль оси и в кольцевом направлениях;
ε₁- деформация нити.

Будем считать/ что деформация нити мала по сравнению с деформацией поверхности оболочки/ т.е. ε₁= 0.

Прикладывая по торцам сетчатой оболочки осевое усилие сжатия/ получают силопередающий механизм/ позволяющий передавать осевое усилие сжатия на радиальное усилие растяжения.

В начальном состоянии сетчатая оболочка имеет радиус r/ а объект - радиус r^*= r+Δ/ тогда
1+ε_x= r^*/r = 1+Δ/r
Для уже деформированного состояния/ используя (1)/ можно записать
, т.к. нить жесткая/ то возможна потеря энергии на деформацию ее в поперечном направлении при сжатии/ необходимо чтобы деформирование нити в поперечном направлении ε_y было положительным. (1+ε_y)²= (1+ε_x)²cos²ϕ+(1+ε_y)²sin²ϕ > 1 (1+ε2х

) cos²ϕ+(1-(1+ε_х)²sin²ϕ) >1 (1+ε_x)²(cos⁴ϕ-sin⁴ϕ) > cos²ϕ-1 (1+ε_x)²(cos²ϕ-sin²ϕ) > -sin²ϕ (4) (1+ε_x)²·(ctg²ϕ-1) > 1; ctg²ϕ>1- ϕ < arcctg ϕ < arcctg Зная ϕ из (4) и используя выражение (3)/ можно определить N_y в зависимости от N_x.Используя (Черевацкий С. Б./ Сегал В.Л. К теории конечных деформаций ортотропных нитевых оболочек. Исследование по теории пластин и оболочек. КГУ сб. 5 1967 г. с. 542-553)/ можно записать N_x= P·r(1+ε_x), где Р - радиальное погонное усилие.

Из (1) получают N_x= P·r(1+ε_x) = σ₁h·sin²ϕ^* = σ₁h sin²ϕ(1+ε_x)², отсюда h = (5) Осевую силу можно получить аналогично Т = N_y2πr(1+ε_x). (6)
По полученным формулам проводят расчет сетчатой оболочки для зеркала из Ве со следующими параметрами: наружный диаметр D 1500/ внутренний диаметр d 450 мм/ высота Н 0/15 м/ угол конусности посадочной поверхности зеркала α= 1^°. Значение N_x=13709кг/м/ ϕ ==54^°. В результате N_y= 6861/4 кг/м; h = 3/44 мм; Т = 9700 кг.

Использование упругой сетчатой оболочки в качестве устройства фиксации оптического элемента не выявлено в других технических решениях. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Узел крепления с использованием сетчатой оболочки из полимерных волокнистых КМ был опробован с положительным эффектом для переноса деталей/ имеющих центральное отверстие.

Сущность изобретения: устройство содержит эластичное крепление, контактирующее с оптическим элементом, выполненное в виде упругой сетчатой оболочки вращения, например, из полимерных волокнистых композиционных материалов, при этом ее один торец выполнен с возможностью перемещения, а посадочная поверхность зеркала выполнена в виде обратного конуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА с центральным отверстием, содержащее стакан, зажимной элемент и упругий элемент, контактирующий с посадочной поверхностью оптического элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения удобства в эксплуатации, упругий элемент выполнен в виде сетчатой упругодеформируемой с помощью зажимного элемента оболочки, выполненной в форме тела вращения, а посадочная поверхность оптического элемента выполнена в виде обратного конуса. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругодеформируемая сетчатая оболочка выполнена из полимерных волокнистых композиционных материалов.